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Die Erfindung betrifft ein Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk (H2DKW) zur Bereitstellung von elektrischer Energie sowie optional zur Bereitstellung von thermischer Energie, Kondensatwasser und auskristallisierten festen Salzen.
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Bei der Gewinnung erneuerbarer Energie wie Solarenergie und Windenergie besteht die Problematik, dass die bereitgestellte Energiemenge meist von dem aktuellen Bedarf abweicht. Da effiziente Speichertechnologien noch nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, besteht häufig die Notwendigkeit, die Solar- und Windkraftanlagen bei einer Übererfüllung des Energiebedarfs vorübergehend abzuschalten.
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Zur Überwindung dieses Problems ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die temporär überschüssige Energie zur Herstellung von Wasserstoff unter Anwendung der Wasserelektrolyse zu nutzen. Somit können die Erzeugungsspitzen von Wind- und Solarenergie chemisch zwischengespeichert werden um diese in Zeiten erhöhten Elektroenergiebedarfs in elektrische Energie zurück umzuwandeln.
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Hierbei besteht jedoch das Problem der effizienten Speicherung des Wasserstoffs. Hierzu ist insbesondere die als Druckgasspeicherung bezeichnete Speicherung in Druckbehältern durch Verdichten des Wasserstoffs sowie die als Flüssiggasspeicherung bezeichnete Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten bekannt.
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Eine weitere Variante stellt die Speicherung unter Verwendung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern dar, welche auch als Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) bezeichnet werden. Als Wasserstoffträger kommen insbesondere aromatische Verbindungen zur Anwendung, an welche der Wasserstoff mittels einer Hydrierung chemisch gebunden wird. Mittels einer Dehydrierung des Wasserstoffträgers kann der Wasserstoff wieder herausgelöst und nachfolgend aus dem Wasserstoff in ihm die gespeicherte Energie erneut freigesetzt werden. Vorteil der LOHC-Technologie ist neben einer langfristigen Speicherung zudem der einfache Transport des gespeicherten Wasserstoffs, da der Wasserstoff unflüchtig chemisch gebunden ist.
Nach der Dehydrierung des Wasserstoffs liegt dieser in gasförmigem Zustand vor und kann wiederum zur Energiegewinnung, insbesondere Elektroenergiegewinnung verwendet werden.
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Zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus dem Wasserstoff sind aus dem Stand der Technik verschiedenartige Lösungsansätze bekannt. Diesbezüglich werden insbesondere Brennstoffzellen genutzt, wobei die Energiegewinnung auf einer Reaktion von Sauerstoff und gasförmigem Wasserstoff basiert. Die elektrische Energie kann anschließend beispielsweise den Elektroantrieb eines Fahrzeugs speisen. Ein Nachteil von Brennstoffzellen ist jedoch deren vergleichsweise geringer Wirkungsgrad wodurch zugleich der Gesamtwirkungsgrad der Energiespeicherung in Verbindung mit einem LOHC-Prozess gering ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk aufzuzeigen, welches einen hohen Wirkungsgrad bei der Rückgewinnung elektrischer Energie aus Wasserstoff aufweist, welches frei von umweltbelastenden Emissionen ist und welches zudem mit geringem konstruktiven Aufwand sowie kostengünstig bereitstellbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Turbinenkraftwerk weist eine Primäreinheit sowie eine Sekundäreinheit auf.
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Die Primäreinheit weist einen Verdichter, eine Verbrennungsluftleitung, eine Wasserstoffleitung, eine Injektionswasserleitung, eine Brennkammer, eine primäre Abgasleitung, eine Abgasturbine sowie einen Primärgenerator auf.
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Von dem Verdichter ist atmosphärische Luft aus der Umgebung aufnehmbar und komprimierbar. Die somit in ihrem Volumen verringerte atmosphärische Luft liegt anschließend als Verbrennungsluft vor und ist mittels der Verbrennungsluftleitung, welche den Verdichter sowie die Brennkammer miteinander verbindet, in die Brennkammer einleitbar. Daneben ist Wasserstoff als Brennstoff mittels einer Wasserstoffzuleitung in die Brennkammer einbringbar, so dass dort die Verbrennungsluft gemeinsam mit dem Wasserstoff zu einem primären Abgas verbrennbar ist. Ferner ist mittels der Injektionswasserleitung ein Injektionswasser in die Brennkammer einspritzbar. Das Injektionswasser verdampft durch die hohen Temperaturen des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer und bildet so einen Injektionswasserdampfanteil des primären Abgases. Bei dem Injektionswasserdampfanteil des primären Abgases handelt es sich um gespannten Wasserdampf, der vorteilhaft nachfolgend in der Abgasturbine entspannt und in mechanische Bewegungsenergie umgeformt werden kann. Vorteilhaft ist zudem, dass die für die Verdampfung des Injektionswassers erforderliche Verdampfungswärme dem primären Abgas entzogen wird und so die Temperatur des primären Abgases senkt. Damit kann die Temperatur des primären Abgases vor dessen Einleitung in die Abgasturbine so eingestellt werden, dass die Abgasturbine nicht zu hoch thermisch belastet wird. Dabei ist es in einer Weiterbildung auch möglich, das Injektionswasser nicht direkt in den Flammenbereich, sondern in eine Nebenkammer oder Mantelkammer der Brennkammer einzubringen, so dass der Verbrennungsprozess nicht beeinträchtigt, aber trotzdem Wärmeenergie zur Verdampfung aufgenommen wird.
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Das primäre Abgas kann dann über eine, die Brennkammer und die Abgasturbine verbindende, primäre Abgasleitung der Abgasturbine zugeführt werden. Das primäre Abgas weist eine hohe Temperatur und einen hohen Druck auf. Das primäre Abgas ist anschließend in der Abgasturbine zu einem sekundären Abgas entspannbar. Bei diesem Prozess ist eine thermische Energie des primären Abgases in eine erste mechanische Energie umwandelbar. Bei der Abgasturbine handelt es sich um eine einfache Gasexpansionsturbine, in der das unter Druck stehende primäre Abgas entspannt und mechanische Arbeit verrichtet. Die Abgasturbine selbst verfügt also weder über einen Verdichter noch über eine eigene Brennkammer. Vielmehr wird das zu entspannende Gas in der vorgeschalteten Brennkammer erzeugt.
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Die Abgasturbine ist vorzugsweise über eine Welle mit dem Primärgenerator gekoppelt, so dass die durch die Rotation der Abgasturbine bereitgestellte erste mechanische Energie an den Primärgenerator übertragbar ist und von diesem in eine erste elektrische Energie umwandelbar ist. Die erste elektrische Energie kann nachfolgend in das Stromnetz eingespeist oder an einen elektrischen Verbraucher abgegeben werden.
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Vorzugsweise wird der Verdichter ebenfalls mechanisch an die Baugruppe aus Abgasturbine und Primärgenerator gekoppelt und somit mittels der Abgasturbine angetrieben. Hierbei ist der Verdichter bevorzugt über die Welle der Abgasturbine, die den Primärgenerator ankoppelt, angetrieben. Besonders bevorzugt ist der Primärgenerator so ausgebildet, dass er sowohl im Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb betrieben werden kann. Somit kann in einem Anlaufprozess der Primärgenerator im Motorbetrieb unter Zuführung von elektrischer Energie den Verdichter antreiben und eine erste Verdichtung der atmosphärischen Luft zu Verbrennungsluft durchführen. Sobald der Verbrennungsprozess angelaufen ist und die Abgasturbine mechanische Energie abgibt, wird der Primärgenerator vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb umgeschaltet.
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Erfindungsgemäß umfasst die Sekundäreinheit des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks einen Dampfturbinenkreislauf sowie eine chemische Wasserstoffträgereinheit.
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Der Dampfturbinenkreislauf weist vorliegend eine sekundäre Abgasleitung, einen Dampferzeuger, eine Dampfdruckleitung, eine Dampfturbine, einen Sekundärgenerator, eine Abdampfleitung, einen Kondensator sowie eine Kondensatleitung auf.
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Die sekundäre Abgasleitung verbindet hierbei die Abgasturbine und den Dampferzeuger, so dass die sekundäre Abgasleitung zugleich die Verbindungsstelle der Sekundäreinheit zu der Primäreinheit darstellt. Das nach der Entspannung in der Abgasturbine verfügbare sekundäre Abgas, welches noch hohe Termperaturen und somit eine hohe thermische Energie aufweist, kann somit dem Dampferzeuger zugeführt werden und dort zur Verdampfung genutzt werden. In den Dampferzeuger ist zu diesem Zweck ein Kondensatwasser einleitbar und mittels einer Übertragung der thermischen Energie des sekundären Abgases zu einem Heißdampf verdampfbar. Das Kondensatwasser wird dabei mittels einer Kondensatleitung, die den Kondensator und den Dampferzeuger verbindet, in diesen eingebracht und dann im Dampferzeuger verdampft.
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Nach dem Phasenübergang aus dem Kondensatwasser ist der Heißdampf mittels einer Dampfdruckleitung, welche den Dampferzeuger und die Dampfturbine verbindet, der Dampfturbine zuführbar. In dieser ist der Heißdampf zu einem Abdampf entspannbar, wobei eine thermische Energie des Heißdampfes mittels der Dampfturbine in eine zweite mechanische Energie umwandelbar ist. Auch bei der Dampfturbine handelt es sich um eine Gasexpansionsturbine in an sich bekanntem Aufbau.
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Die zweite mechanische Energie kann nun mechanisch, vorzugsweise über eine Welle, an den Sekundärgenerator übertragen werden und von diesem in eine zweite elektrische Energie umgewandelt werden. Anschließend kann die zweite elektrische Energie an einen beliebigen elektrischen Verbraucher abgegeben werden oder in das Stromnetz eingespeist werden.
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Der durch die Entspannung innerhalb der Dampfturbine anfallende Abdampf ist über eine Abdampfleitung, welche die Dampfturbine und den Kondensator verbindet, dem Kondensator zuführbar und von diesem mittels einer Kondensation zu Kondensatwasser umbildbar. Die aus diesem Phasenübergang hervorgegangene thermische Energie wird aus dem Kondensator in an sich bekannter Weise ausgeleitet und kann anschließend zur weiteren Nutzung vorgesehen werden, beispielsweise für Heizzwecke. Zugleich wird das Kondensatwasser in die Kondensatleitung eingeführt und dem Dampferzeuger zugleitet, so dass der Dampfturbinenkreislauf geschlossen ist.
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Der Dampfturbinenkreislauf der Sekundäreinheit bildet somit einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess.
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Die chemische Wasserstoffträgereinheit weist einen Wasserstoffträgertank, einen Dehydrator sowie einen Wärmeübertrager auf. In dem Wasserstoffträgertank ist ein hydrierter Wasserstoffträger aufnehmbar, wobei es sich erfindungsgemäß um einen Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) handelt. Als LOHC sind insbesondere aromatische Verbindungen nutzbar, deren Fähigkeit zur Wasserstoffaufnahme umkehrbar ist. Zudem sollte der verwendete LOHC im gesamten relevanten Temperaturbereich einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und vorzugsweise ungiftig sein. Die chemische Wasserstoffträgereinheit wird nachfolgend auch als LOHC-Einheit und die hier ablaufenden Prozesse werden nachfolgend auch als LOHC-Prozess bezeichnet.
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Mittels einer Wasserstoffträgerleitung, welche den Wasserstoffträgertank mit dem Dehydrator verbindet, ist der hydrierte Wasserstoffträger dem Dehydrator zuführbar. Von dem Wärmeübertrager ist die thermische Energie des Abdampfes an den Dehydrator übertragbar. Der Wärmeübertrager weist daher eine Verbindung zu der zwischen der Dampfturbine und dem Kondensator verlaufenden Abdampfleitung auf.
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Die Übertragung der thermischen Energie aus dem Abdampf an den hydrierten Wasserstoffträger kann konstruktiv unterschiedlich umgesetzt werden und auch innerhalb des Wärmeübertragers erfolgen, sofern die Wasserstoffträgerleitung den Wärmeübertrager durchläuft. Anderenfalls wird die thermische Energie von dem Wärmeübertrager an den Dehydrator bereitgestellt.
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In dem Dehydrator ist nun in einer endothermen Reaktion, unter Nutzung der thermischen Energie aus dem Abdampf, der hydrierte Wasserstoffträger durch eine Abspaltung des Wasserstoffs in einen dehydrierten Wasserstoffträger umwandelbar. Die Reaktion findet vorzugsweise unter Beteiligung eines Katalysators statt.
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Die Bereitstellung des hydrierten Wasserstoffträgers zur Durchführung dieses Vorgangs ist kein Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum einen besteht diesbezüglich die Möglichkeit, dass der Wasserstoffträger im Anschluss an die Dehydrierung erneut hydriert wird und dann in den Wasserstoffträgertank zurückgeführt wird, so dass ein geschlossener Kreislauf geschaffen wird. Zum anderen kann der dehydrierte Wasserstoffträger in einer externen Vorrichtung hydriert werden, so dass der Wasserstoffträgertank dann stets mit hydriertem Wasserstoffträger aus einer externen Quelle nachzufüllen ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit nicht den LOHC-Prozess in seiner Gesamtheit, sondern betrifft eine Lösung für den Abschnitt der Energierückgewinnung aus dem hydrierten chemischen Wasserstoffträger und zeigt hierfür eine besonders effiziente Vorrichtung auf.
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Nach der Abspaltung des Wasserstoffs im Dehydrator liegt dieser im gasförmigen Zustand vor und ist erfindungsgemäß mittels der Wasserstoffleitung, welche den Dehydrator mit der Brennkammer verbindet, der Brennkammer zuführbar. Der Wasserstoff kann somit als Brennstoff genutzt werden und ist gemeinsam mit der Verbrennungsluft zu dem primären Abgas verbrennbar.
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Ein erfindungsgemäßes Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk liegt auch dann vor, wenn neben den zuvor genannten Elementen des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks zusätzliche Elemente wie weitere Abgas- oder Entwässerungskanäle oder Einrichtungen zur Prozessüberwachung und -steuerung vorgesehen werden.
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Das erfindungsgemäße Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk weist insbesondere die nachfolgenden Vorteile auf.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die bei der Energiegewinnung innerhalb der Primäreinheit anfallende thermische Energie nachfolgend für die Energiegewinnung innerhalb der Sekundäreinheit nutzbar ist.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass durch die Einbringung von Injektionswasser der Wirkungsgrad sowohl in der Primäreinheit als auch in der Sekundäreinheit deutlich erhöht werden kann. In der Primäreinheit wird durch die Verdampfung des Injektionswasser die Verbrennungswärme genutzt und ein zusätzliches Volumen entspannbaren Gases zur Verfügung gestellt. In der Sekundäreinheit steht mit dem Wasserdampfanteil des sekundären Abgases ein Massenstrom heißen Gases zur Verfügung, wobei zudem die spezifische Wärmekapazität von Wasserdampf wesentlich höher ist als die spezifische Wärmekapazität von Luft.
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Dabei kann die aus dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer resultierende und nach Durchlaufen der Abgasturbine verbleibende thermische Energie des sekundären Abgases unter Reduzierung der Verlustwärme für die Verdampfung des Kondensatwassers innerhalb des Dampferzeugers genutzt werden. Vorzugsweise ist die thermische Energie des sekundären Abgases zudem für die vollständige Verdampfung des Kondensatwassers ausreichend, so dass keine zusätzlichen Brenner oder ähnliche Vorrichtungen benötigt werden.
Ferner wird die aus dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer resultierende und nach Durchlaufen der Abgasturbine sowie nach Durchlaufen der Dampfturbine noch verbleibende thermische Energie des sekundären Abgases für den endothermen Prozess der Dehydrierung des chemischen Wasserstoffträgers genutzt. Vorteilhaft ist es ferner, dass auch dann noch thermische Energie aus der Sekundäreinheit, insbesondere aus dem Kondensator, ausgekoppelt werden und genutzt werden kann, beispielsweise für Heizzwecke.
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Ein weiterer Vorteil ist es, dass das erfindungsgemäße Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk keine umweltbelastenden Emissionen verursacht, da an dem Verbrennungsvorgang lediglich Verbrennungsluft sowie Wasserstoff beteiligt sind. Das aus der Verbrennung resultierende sekundäre Abgas kann somit problemlos und ohne Filter- oder Abscheidevorrichtungen aus dem Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk abgeführt werden.
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Ein anderer Vorteil besteht in der konstruktiv einfachen und robusten Ausführung, indem die Brennkammer getrennt von der Abgasturbine ist und die Abgasturbine als einfache Gasexpansionsturbine mit allen darauf resultierenden Vorteilen ausgebildet ist. Dies schließt ein, dass durch die gerätetechnische Trennung von Verdichter, Brennkammer und Abgasturbine eine konstruktive Vereinfachung sowie eine Kosteneinsparung gegenüber einer integrierten Gasturbine geschaffen werden kann.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der mittels eines Wasserstoffträgers gespeicherte Wasserstoff lokal und effizient zur Energierückgewinnung einsetzbar ist. Somit entfällt der aufwendige und kostenintensive Transport des nach der Dehydrierung gasförmigen Wasserstoffs.
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Zudem kann gegenüber anderen Varianten zur Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Wasserstoff, wie insbesondere Brennstoffzellen, ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden
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Da elektrische Energie aus regenerativen Energiequellen wie Solar- und Windkraftanlagen nicht zu jedem Zeitpunkt bedarfsgerecht bereitstellbar ist, stellt die Herstellung von Wasserstoff und die anschließende Speicherung des Wasserstoffs in einem Wasserstoffträger eine geeignete Alternative zum Ausgleich von Erzeugungsspitzen dar. Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung von LOHC kann zudem eine langfristige und effiziente Speicherung ermöglicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die von dem Kondensator während der Kondensation abgeführte thermische Energie an eine Heizanlage übertragbar. Somit ist auch die in der Sekundäreinheit anfallende restliche thermische Energie weiterverwendbar. Zudem besteht damit die Möglichkeit, eine vorhandene Heizanlage für den Betrieb des Kondensators als Wärmesenke zu nutzen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Primäreinheit zumindest eine Alternativbrennstoffzuleitung auf, die mit der Brennkammer verbunden ist und mittels welcher ein Alternativbrennstoff in die Brennkammer einleitbar und mit der Verbrennungsluft zu dem primären Abgas verbrennbar ist.
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Der zumindest eine Alternativbrennstoff, vorzugsweise ein beliebiger bekannter Alternativbrennstoff, kann gemeinsam mit dem Wasserstoff, der aus dem Dehydrator gewonnen wird, als Brennstoff genutzt werden. Insbesondere für den Fall, dass vorübergehend keine Bereitstellung von Wasserstoff für den Verbrennungsvorgang erfolgen kann, ist es als weitere Variante vorgesehen, die Verbrennung ausschließlich mittels des Alternativbrennstoffs fortzuführen um die Bereitstellung der elektrischen Energie und optional von thermischer Energie aufrechterhalten zu können. Als Alternativbrennstoffe können beliebige geeignete aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffe wie insbesondere Erdgas, Autogas oder Erdöl genutzt werden. Gegebenenfalls sind bei einer solchen multifuelfähigen Weiterbildung ergänzende Einrichtungen für die Ermöglichung der Umschaltung vorzusehen. Die Alternativbrennstoffzuleitung und die Wasserstoffleitung können ganz oder abschnittsweise baulich auch zusammengeführt sowie auch als einheitliche Leitung ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk zudem einen Abgaskondensator auf. Dieser ist ausgebildet, den Wasserdampfanteil des sekundären Abgases nach dessen Austritt aus dem Dampferzeuger zu einem Abgaskondensatwasser zu kondensieren.
Dem sekundären Abgas kann somit vor dessen Auslass in die Umgebung überwiegend oder zumindest teilweise das darin gasförmig enthaltende Wasser entzogen werden. Der Wasserdampfanteil des sekundären Abgases geht zum ersten auf das verdampfte Injektionswasser und zum zweiten auf Wasser als Verbrennungsprodukt aus Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer zurück.
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Ein erster Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, unerwünschte Wasserdampfeinträge in die Umgebung eines solchen Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks zu vermeiden, die ein lokales Mikroklima verändern können. Ein weiterer Vorteil ist es, dass das Abgaskondensatwasser als Wasserressource zu Verfügung steht, was insbesondere Trinkwasserressourcen schonen kann.
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In einer weiterführenden Weiterbildung kann das Abgaskondensationswasser der Injektionswasserleitung zugeführt werden und so als Injektionswasser zur Verfügung stehen. Somit wird ein Stoffkreislauf des Wassers in dem Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk ausgebildet. Vorteilhaft muss so kein oder weniger Wasser für das Injektionswasser zugeführt werden.
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In einer weiteren weiterführenden Weiterbildung wird die thermische Energie, die durch die Freisetzung der Kondensationswärme des Wasserdampf bei dessen Kondensierung anfällt, aus einem Kühlkreislauf des Abgaskondensators ausgekoppelt und kann entweder für den Dehydrator, für andere thermische Hilfsprozesse des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks oder für externe Wärmeabnehmer wie eine Fernheizung zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einer besonderen Weiterbildung weist das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk eine Vorschalt-Destillationsstufe auf. Diese Vorschalt-Destillationsstufe ist ausgebildet, Salzwasser, wie insbesondere Meereswasser zu verdampfen und wieder zu kondensieren, so dass der Salzgehalt abgeschieden und ein Süßwasser erhalten wird. Das Süßwasser wird dann über die Injektionswasserleitung als Injektionswasser in die Brennkammer eingeleitet. Die für den Betrieb der Vorschalt-Destillationsstufe benötigte Wärmeenergie, konkret die Verdampfungswärme, wird dabei bevorzugt aus der Primäreinheit oder der Sekundäreinheit entnommen. Hierzu kann das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk weitere Mittel wie insbesondere Wärmetauscher aufweisen.
In Verbindung mit dem Abgaskondensator kann in dem Gesamtprozess somit Süßwasser gewonnen werden, wobei die benötigte Energie letztlich aus der ohnehin entstehenden Verbrennungswärme mittelbar ausgekoppelt wird.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Blockschaltbild des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks,
- 2 Blockschaltbild der Sekundäreinheit näher erläutert.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks als Blockschaltbild. Das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk ist in eine Primäreinheit 1 sowie eine Sekundäreinheit 2 unterteilt, wobei die Primäreinheit 1 einen Verdichter 3, eine Verbrennungsluftleitung 4, eine Wasserstoffleitung 5, eine Brennkammer 6, eine primäre Abgasleistung 7, eine Abgasturbine 8 sowie einen Primärgenerator 9 aufweist.
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Die Sekundäreinheit 2 setzt sich aus einem Dampfturbinenkreislauf 10 und einer chemischen Wasserstoffträgereinheit 11 zusammen, wobei der Dampfturbinenkreislauf 10 eine sekundäre Abgasleitung 12, einen Dampferzeuger 13, eine Dampfdruckleitung 14, eine Dampfturbine 15, einen Sekundärgenerator 16, eine Abdampfleitung 17, einen Kondensator 18 sowie eine Kondensatleitung 19 aufweist. Die chemische Wasserstoffträgereinheit 11 weist einen Wasserstoffträgertank 20, einen Dehydrator 21, einen Wärmeübertrager 22 sowie eine Wasserstoffträgerleitung 23 auf.
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Von dem Verdichter 3 ist atmosphärische Luft als Umgebungsluft mit dem darin für die Verbrennung benötigten Sauerstoff aufnehmbar und komprimierbar. Die Luft wird dabei von atmosphärischem Druck auf etwa 3 bar verdichtet und liegt im Anschluss als Verbrennungsluft vor, welche über die Verbrennungsluftleitung 4 in die Brennkammer 6 einleitbar ist. Daneben ist Wasserstoff mittels der Wasserstoffleitung 5 als Brennstoff in die Brennkammer 6 einbringbar. Ferner ist über die Injektionswasserleitung 24 ein Injektionswasser in die Brennkammer 6 einbringbar.
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Die Verbrennungsluft ist nun mittels des Wasserstoffs in der Brennkammer 6 zu einem primären Abgas verbrennbar. Zugleich verdampft das Injektionswasser unter Wärmeaufnahme aus dem Verbrennungsprozess. Durch die Verdampfung entsteht gespannter Wasserdampf, welcher einen Anteil des Abgases bildet. Die Brennkammer 6 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zudem Sicherheitsklappen auf, welche einen selbstständigen Verschluss bei Vorliegen eines Überdrucks ermöglichen. Nach der Verbrennung sowie der Injektionswasserverdampfung ist das primäre Abgas mittels der primären Abgasleitung 7 der Abgasturbine 8 zuführbar und dort unter Umwandlung der thermischen Energie in eine erste mechanische Energie zu einem sekundären Abgas entspannbar.
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Vorliegend ist die Abgasturbine 8 über eine Welle mechanisch mit dem Primärgenerator 9 gekoppelt, so dass die erste mechanische Energie von der Abgasturbine 8 an den Primärgenerator 9 übertragbar ist und von diesem in eine erste elektrische Energie umwandelbar ist. Die erste elektrische Energie ist nachfolgend in ein Stromnetz einspeisbar oder an einen elektrischen Verbraucher abgebbar.
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Das sekundäre Abgas, welches nach dem Austritt aus der Abgasturbine 8 eine Temperatur von etwa 600 bis 800°C, vorzugsweise von etwa 700°C, aufweist, ist mittels der sekundären Abgasleitung 12 dem Dampferzeuger 13 zuführbar. Der Eintritt des sekundären Abgases in die sekundäre Abgasleitung 12 stellt hierbei zugleich den Übergang des Arbeitsmediums von der Primäreinheit 1 in die Sekundäreinheit 2 dar.
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Neben dem sekundären Abgas ist ein Kondensatwasser in den Dampferzeuger 13 einleitbar. Das Kondensatwasser wird in einer geschlossenen Rohrleitung, der Kondensatleitung 19, mäanderförmig durch den Innenraum des Dampferzeugers geleitet und ist dabei durch eine Übertragung der thermischen Energie des sekundären Abgases zu einem Heißdampf verdampfbar. Vorliegend ist am oberen Ende des Dampferzeugers 13 zudem eine Auslassöffnung vorgesehen, über welche das sekundäre Abgas anschließend austreten kann.
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Der entstandene Heißdampf wird hingegen in einer Dampfdruckleitung 14 der Dampfturbine 15 zugeführt. Dort ist der Heißdampf unter Umwandlung dessen thermischer Energie in eine zweite mechanische Energie zu einem Abdampf entspannbar. Die zweite mechanische Energie ist anschließend an den Sekundärgenerator 16 übertragbar und von diesem in eine zweite elektrische Energie umwandeibar. Die generierte zweite elektrische Energie kann beispielsweise in ein Stromnetz eingespeist werden oder einem elektrischen Verbraucher bereitgestellt werden.
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Der von der Dampfturbine 15 abgegebene Abdampf ist über die Abdampfleitung 17 dem Kondensator 18 zuführbar und von diesem durch eine Kondensation zu einem Kondensatwasser umbildbar, welches anschließend in die Kondensatleitung 19 einleitbar und somit wiederum dem Dampferzeuger 13 zuführbar ist.
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Der Dampfturbinenkreislauf 10 der Sekundäreinheit 2 bildet somit in seiner Gesamtheit einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess aus.
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Die aus dem Kondensator 18 während des Kondensationsvorgangs abgeführte thermische Energie wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Betreiben einer Heizanlage genutzt. Von der Heizanlage ist zudem über eine rückführende Leitung gekühltes Wasser in den Kondensator 18 einleitbar und von dort gemeinsam mit dem Kondensatwasser in den Dampferzeuger 13 einleitbar.
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Neben dem Dampfturbinenkreislauf 10 ist die chemische Wasserstoffträgereinheit 11 ein weiterer Bestandteil der Sekundäreinheit 2.
In dem Wasserstoffträgertank 20 ist ein hydrierter Wasserstoffträger aufnehmbar, welcher erfindungsgemäß als ein LOHC vorliegt. Die wesentlichen Anforderungen an den LOHC bestehen darin, dass dieser eine reversible Wasserstoffaufnahme und -abgabe ermöglicht und dass dieser im gesamten relevanten Temperaturbereich einen flüssigen Aggregatzustand aufweist. Als geeignet erweisen sich hierzu insbesondere einige aromatische Verbindungen.
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Der hydrierte Wasserstoffträger ist mittels der Wasserstoffträgerleitung 23 dem Dehydrator 21 zuführbar. Gemäß der hier gewählten Ausführungsform führt die Wasserstoffträgerleitung 23 zunächst in den Wärmeübertrager 22, von welchem eine thermische Energie des Abdampfes auf den Wasserstoffträger übertragbar ist. Der Wärmeübertrager 22 weist daher hierbei eine verschließbare Verbindung zu der Abdampfleitung 17 auf. Daraufhin weist der weiterhin flüssige Wasserstoffträger eine Temperatur von etwa 250 bis 400°C, vorzugsweise von etwa 320°C, auf.
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Mittels der in den Wasserstoffträger eingetragenen thermischen Energie kann dieser nun in dem Dehydrator durch Abspaltung des Wasserstoffs dehydriert werden. Die endotherm stattfindende Dehydrierung des Wasserstoffträgers findet dabei unter Beteiligung eines Katalysators statt. Im Anschluss daran liegt der abgespaltene Wasserstoff in gasförmigem Zustand vor und kann mittels der Wasserstoffleitung 5, welche den Dehydrator 21 mit der Brennkammer 6 verbindet, der Brennkammer 6 zugeführt werden.
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Nachdem das sekundäre Abgas aus dem Dampferzeuger 13 über dessen Auslassöffnung ausgetreten ist, wird es in den Abgaskondensator 25 eingeleitet. In dem Abgaskondensator 25 wird der Wasserdampfanteil des Abgases kondensiert. Das Abgaskondensat wird aus dem Abaskondensator entnommen. In dem Ausführungsbeispiel ist hierfür die Injektionswasserleitung 24 bis an den Abgaskondensator 25 herangeführt, womit das Abgaskondensat direkt als Injektionswasser wieder genutzt werden kann. Somit wird ein Kreislauf aus Verdampfung des Injektionswassers, Führung des Wasserdampfanteils im Abgas, Kondensation und Rückführung des flüssigen Wasser zur erneuten Injektion ausgebildet. An einer Anschlussstelle 26 kann je nach Prozesszustand dem Kreislauf entweder überschüssiges Abgaskondensatwasser entnommen oder benötigtes Injektionswasser zugeführt werden.
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2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sekundäreinheit 2 zur räumlichen Abgrenzung des Dampfturbinenkreislaufs 10 und der chemischen Wasserstoffträgereinheit 11.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primäreinheit
- 2
- Sekundäreinheit
- 3
- Verdichter
- 4
- Verbrennungsluftleitung
- 5
- Wasserstoffleitung
- 6
- Brennkammer
- 7
- primäre Abgasleitung
- 8
- Abgasturbine
- 9
- Primärgenerator
- 10
- Dampfturbinenkreislauf
- 11
- chemische Wasserstoffträgereinheit
- 12
- sekundäre Abgasleitung
- 13
- Dampferzeuger
- 14
- Dampfdruckleitung
- 15
- Dampfturbine
- 16
- Sekundärgenerator
- 17
- Abdampfleitung
- 18
- Kondensator
- 19
- Kondensatleitung
- 20
- Wasserstoffträgertank
- 21
- Dehydrator
- 22
- Wärmeübertrager
- 23
- Wasserstoffträgerleitung
- 24
- Injektionswasserleitung
- 25
- Abgaskondensator
- 26
- Anschlussstelle
